T-M 5. Kompozitok BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK HŐRE NEM LÁGYULÓ POLIMER MÁTRIXÚ KOMPOZITOK

Átírás

1 T-M 5 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK Kompozitok HŐRE NEM LÁGYULÓ POLIMER MÁTRIXÚ KOMPOZITOK A JEGYZET ÉRVÉNYESSÉGÉT A TANSZÉKI WEB OLDALON KELL ELLENŐRIZNI!

2 1. A gyakorlat célja A gyakorlat során szálerősítésű, hőre keményedő mátrixú terméket készítünk különféle struktúrájú üvegszálas erősítőanyagból és poliészter gyantából. A kompozit terméket a legegyszerűbb módon, kézi laminálás technológiájával állítjuk elő. 2. Elméleti háttér A kompozitok a műszaki célú szerkezeti anyagok legkorszerűbb családját képezik. Kialakításuk abból a felismerésből alakult ki, hogy az alkatrészek terhelése a legritkább esetben azonos a tér minden irányában. A legtöbb műszaki alkotásban, gépben, gépalkatrészben, építményben vagy bármely használati eszközben az igénybevétel, a terhelés jól meghatározott irányvonalak mentén érvényesül. Ezen erővonalak irányában gyakran nagyságrendekkel nagyobb szilárdságra, merevségre van szükség, mint más irányokban. Ez indokolja a homogén szerkezeti anyagok megerősítését nagyobb szilárdságú és/vagy modulusú erősítőanyagokkal, a teherviselés kitüntetett irányában. A kompozit: többfázisú (alkotóiban fázishatárokkal elválasztott) összetett: több anyagból álló szerkezeti anyag, amely erősítőanyagból (tipikusan szálerősítésből) és befoglaló (beágyazó) anyagból: mátrixból áll, és az jellemzi, hogy a nagy szilárdságú és rendszerint nagy rugalmassági modulusú (szálas) erősítőanyag és a rendszerint kisebb szilárdságú, de szívós mátrix között kitűnő kapcsolat (adhézió, tapadás) van, amely a deformáció, az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad. Az erősítőanyag szerepe, hogy biztosítsa a megfelelő merevséget és szilárdságot. A mátrixanyag szerepe, hogy összefogja a szálkötegeket, védje a szálakat a külső környezetei és fizikai behatásoktól, ill. a terhelés eloszlását biztosítsa. végső soron a mátrix határozza meg a termék alakját is. Hőre nem lágyuló polimer mátrixú kompozitok 2/10

3 2.1. A polimer kompozitok erősítő anyagai Kompozit gyártási technológiákban jelentős szerepe van a természetes (len, kender, szizál, stb.), az ásványi (kerámia, bazalt, stb.), a természetes alapú mesterséges (viszkóz, acetát stb.), valamint a mesterséges (üveg, szén, aramid, stb.) szálaknak Üvegszál Az üveg ömledékből megfelelő szálhúzó fejen át nagyszilárdságú szálat húzhatunk, rendszerint 10 3 nagyságrendű elemi szálból álló köteg (roving) formájában. Az elemi szálak átmérője jellemzően 8-17 μm között található. Az üvegszál, a többi elemi szálhoz hasonlóan, felületkezelést igényel. Egyrészről meg kell védeni a feldolgozás pl. szövés során esetleg fellépő károsodástól; ezt nevezzük írezésnek. Az írezőanyag feladata tehát az ideiglenes védelem, és az összetartás. Másfelől biztosítani kell az üvegszál és a polimer mátrix közötti kapcsolódást, lehetőleg minél több elsődleges kötéssel, amelyet epoxivegyületek, vinilszilánok, esetleg fenolgyanta típusú kapcsolószerek felvitelével lehet biztosítani. Az üvegszál a legelterjedtebben alkalmazott erősítő szál, amely fizikai és mechanikai tulajdonságait az 1. táblázat tartalmazza. Az üvegszál erősítés alkalmazásának előnyei: olcsó, alapanyaga nagy mennyiségben rendelkezésre áll, UV stabil, vegyszerálló, elektromosan szigetel. Hátránya: Szénszál bizonyos technológiáknál erős koptató hatás (ahol közvetlenül súrlódik a szerszámon), viszonylag nagy sűrűség, viszonylag alacsony rugalmassági modulus. A grafitszerkezet a hatszögletű egységekből felépített lamellák síkjának irányában rendkívüli szilárdságot biztosít. A szénszálakban ezt a rendkívüli grafit-szilárdságot és az ezzel párosuló igen nagy modulust használjuk ki. A szénszálgyártás előterméke (prekurzor) több féle polimerszál is lehet, ha azt úgy tudjuk elszenesíteni (karbonizálni majd grafitosítani), hogy közben ne olvadjon meg, ne égjen el, és a kívánt szerkezet alakuljon ki. Az elszenesítés és grafitizálás hőfoka és ideje alapvetően befolyásolja Hőre nem lágyuló polimer mátrixú kompozitok 3/10

4 a szál mechanikai tulajdonságait. Az így előállított szálak szilárdsága és modulusa széles határok között változtatható. A szénszál erősítés alkalmazásának előnyei: alacsony sűrűség, magas rugalmassági modulus, magas szilárdsági értékek, alacsony hőtágulási együttható. Hátránya: magas ár Aramid szál Az aromás poliamid (aramid) szálak nagyfokú orientáció (azaz nyújtás) során nyerik el nagy szilárdságukat. A szálak kitűnő szilárdsága és viszonylag magas szakadási nyúlása igen jól hasznosul a gumi alapú kompozitokban pl. a radiál-gumiabroncsokban. Mindezek mellett az aramid szállal erősített kompozit kitűnik rendkívüli szívósságával, ütésállóságával (pl. golyóálló mellény). Az aramidszál erősítés alkalmazásának előnyei: alacsony sűrűség, magas szilárdsági értékek, jó dinamikai tulajdonságok, hajlékony, lángállóság. Hátránya: környezeti hatásokkal szembeni gyenge ellenálló-képesség (UV- és nedvességérzékenység) alacsony nyomószilárdsági értékek. nehezen megoldott az adhézió a hőre keményedő mátrixokkal A leggyakrabban alkalmazott erősítőszálak legfontosabb tulajdonságait az 1. táblázat tartalmazza. Száltípus 1. táblázat Az erősítőszálak mechanikai tulajdonságai Sűrűség ρ [g/cm 3 ] Szakító szilárdság σ [GPa] Rugalmassági modulus E [GPa] Szakadási nyúlás ε [%] Üvegszál 2,5-2,8 3,2-4, ,8-5,7 Szénszál 1,7-2,0 2,0-7, ,5-1,5 Aramidszál 1,4 2,8-3, ,2-4,0 Acélhuzal 7,6 4, ,4 Hőre nem lágyuló polimer mátrixú kompozitok 4/10

5 2.2. A szálak kiszerelési formái A szálak irányultságának rendezésével bizonyos fokú orientáció érhető el. Az ún. paplan típusú erősítőanyagok a sík minden irányában tartalmaznak szálakat, nincs mechanikailag kitüntetett irány. Az unidirekcionális kötegekben a szálak egy meghatározott irányban állnak, a mechanikai tulajdonságok ebben az irányban kimagaslóak. A szövéssel készített erősítő rendszerek általában két egymásra merőleges kitüntetett iránnyal rendelkeznek, de léteznek multidirekcionális kelmék is (pl. a síkban három kitüntetett irány). Az egyes erősítőanyag formák mechanikai tulajdonságait ún. polárdiagramban szokás megjelentetni. A fenti anyagok húzószilárdságának és rugalmassági modulusának jellegét a terhelési szög függvényében, az 1. ábra polárdiagramban szemlélteti. 1. ábra Erősítőanyag kiszerelési formák szakítószilárdságának és rugalmassági modulusának polárdiagramja [3] Abban az esetben ha az erősítőanyag rövidszálas (elsősorban fröccsöntéssel és extrúzióval előállított, hőre lágyuló mátrixú) kompozit alkatrészek esetén, akkor a szál hosszára meghatározható egy kritikus minimum érték (Lc), ami megadja, hogy mi az a minimális szálhossz, amit érdemes kompozit erősítőanyagként alkalmazni. Amennyiben az adott szálhossz nem éri el ez az (Lc) értéket, úgy terhelés hatására nem lesz képes maximális terhelést felvenni, azaz a szál szakítószilárdságának elérése előtt ki fog csúszni a befoglaló anyagból. A kritikus szálhossz meghatározható az adhéziós kapcsolat következtében a szál felületén ható nyírófeszültségének (τ), az elemi szál szakítószilárdságának (σb, Szál), valamint a szálátmérő (D) ismeretében az ú.n. Kelly- Tyson összefüggés (1) segítségével [1]: Hőre nem lágyuló polimer mátrixú kompozitok 5/10

6 (1) Az egyenlethez szükséges tagok közül a D, a σb, Szál és a határfelületi nyírófeszültség (τ) elemi szálak vizsgálatával határozható meg A polimer kompozitok mátrix anyagai A kompozitok mátrixanyagaként többféle polimert használnak. A polimer mátrixok két nagy alapvető csoportra oszthatók: hőre keményedők (térhálósak) és hőre lágyulók. A hőre lágyuló polimerek (pl. polipropilén) olvasztás alakadás hűtés folyamattal dolgozhatók fel. A folyamat végén nem jön létre térhálós szerkezet, így e lépések reverzibilisek. Hőre lágyuló polimereket általában rövid (1-5 mm) szálakhoz használnak mátrixanyagként, amelyeket fröccsöntéssel, vagy extrúzióval dolgoznak fel. Napjainkban elsősorban hőre keményedő gyantákat használnak a nagy teljesítményű kompozitok előállításához. A hőre keményedő anyagok (pl. epoxigyanta, poliészter, vinilészter, poliimid, fenol-formaldehid) folyadék halmazállapotból, egy irreverzibilis folyamat végén, térhálós szerkezetű szilárd halmazállapotba mennek át. Ha ez megtörtént, többé már nem olvaszthatók meg, habár a hőmérséklet változtatása jelentősen befolyásolja mechanikai tulajdonságaikat. Nagy előnyük, hogy szobahőmérsékleten feldolgozásuk során folyékonyak és feldolgozásukhoz - ellentétben pl. a fröccsöntéssel - nem szükséges nagy nyomás. Nagy hátrányuk, hogy újrahasznosításuk ipari méretekben még nem megoldott. Az iparban jelenleg a két leggyakrabban használt hőre keményedő gyanta az epoxigyanta és a telítetlen poliészter gyanta Polimer kompozit termék gyártástechnológiái A konstrukciós feladat lépései tehát a fő terhelés irányok meghatározása, a rétegek méretezése, és nem utolsó sorban a rétegrend kialakítása. Mindezek közben figyelemmel kell lenni a termék gyárthatóságára is (költségek, szériaszám, technológia, stb.), amely alapján a gyártástechnológiát lehet kiválasztani. Kompozit alkatrészek gyártására igen sok technológia áll rendelkezésre. Hőre nem lágyuló polimer mátrixú kompozitok 6/10

7 Kézi laminálás (video) Az erősítő rétegek kézzel történő egymásra illesztésével (hand-lay-up, lamination) építették fel a mintegy 65 éve az első modern polimer kompozit termékeket sorozatgyártásban: így készültek, pl. a szövetségesek partraszállásakor felhasznált üvegszálas poliészter hajók. Ez a technológia alacsony költségei és széleskörű alkalmazhatósága miatt a legelterjedtebb. Prototípus, illetve kis sorozatgyártás esetén a leggazdaságosabb. A kézi laminálás alapelvét a 2. ábra szemlélteti. A negatív (ritkábban pozitív) szerszám felületét formaleválasztóval kell kezelni, hogy a termék a szerszámból eltávolítható legyen. A termék külső rétege általában egy gyantában dús töltött ún. gél réteg, ez áll ellen a környezeti hatásoknak (időjárás, mechanikai behatások). Ezt követően kerülnek felhordásra a termék teherviselő rétegei, erősítőanyag rétegek kerülnek átitatásra görgők, ill., ecsetek segítségével. A legfontosabb, hogy tömör, légzárvány nélküli terméket készítsünk, ehhez nyújt segítséget a levegő kigörgőzése a már átimpregnált rétegekből. A kész kompozit lemez akár rétegből is állhat, ehhez legfőképpen a megfelelő gyanta kiválasztására kell ügyelni (gélidő, exoterm hőcsúcs, 2. ábra). A gyanta gélesedési ideje után a térhálósodási reakció előrehaladtával a kompozit gyártás a gyanta magas viszkozitása miatt nem lehetséges már. A laminát tartalmazhat jelentős erősítéseket, megvastagításokat, bordákat, fém-betétet, valamint felépülhet szendvicsszerkezetként is. 2. ábra Kézi laminálás (balra) és a poliészter gyanta térhálósodásának exoterm hőeffektusa (jobbra) [1] (G - gélesedési idő; H - kikeményedési idő) A térhálósítás - az alkalmazott gyantarendszernek megfelelően - általában szobahőmérsékleten történik, de egyes esetekben emelt hőfokon is történhet. Utólagos emelt hőfokú térhálósítás a konverzió szempontjából minden esetben ajánlatos. Hőre nem lágyuló polimer mátrixú kompozitok 7/10

8 Egyéb (hőre nem lágyuló mátrixú) kompozit gyártástechnológiák Az egyes technológiák közös jellemzője, hogy kontrollált hő- és nyomásviszonyok mellett a folyékony halmazállapotú mátrixanyagból és a szálas szerkezetű erősítőanyagból térhálós szerkezetű termék készíthető. Az alábbiakban a legfontosabb és legelterjedtebb technológiák kerülnek rövid bemutatásra. Szórás: A laminálás technológia némileg gépesített változata, egy speciális szórófejen keresztül vágott szál és mátrixanyag keveréke kerül felszórásra a szerszám felületére. Alkalmazásával nagyméretű termékek készíthetők gazdaságosan (pl.: hajótestek, lemezszerű panelek) (video). Sajtolás: Nagy sorozatokban készülő termékeknél alkalmazott gyártástechnológia; hidraulikus présgépeket fűthető fém szerszámokat, illeszkedő precíz szerszámfeleket alkalmazva. A mátrix- és erősítőanyag már előre összekeverve kerül a szerszámfelek közé. Rövid ciklusidővel, hosszú sorozatban gyártott termékek előállítására alkalmas technológia, pl. autóiparban, ajtó kárpit, belső burkoló elemek, stb (video). Tekercselés: Forgó, tengelyszimmetrikus (általában hengeres) magra gyantával impregnált folytonos szálakat tekercselnek fel. A rovingok fektetési szöge (tekercselési szög) az igénybevételnek megfelelően előre számítható. A készterméket a magról lehúzzák, ezért szükséges, hogy a szerszám enyhén kúpos legyen. Ez az eljárás főként tartályok, csövek előállításához alkalmazható (video). Pultrúzió: A hosszirányban folytonos szállal erősített kompozit profilgyártás a hőre lágyuló alapanyagú extrúzióhoz hasonló eljárás, azzal a lényeges különbséggel, hogy itt az impregnált erősítőanyagot a szerszámon áthúzzák. Ez az egyetlen folytonos hőre keményedő mátrixú kompozit gyártástechnológia. Profilok, 1D-s termékek gyártására alkalmas, pl. gerendák, tartószerkezetekhez merevítések, lapátnyél, stb (video). Injektálás: A szerszámba szárazon kerül befektetésre az erősítőanyag. A zárt szerszámba túlnyomás vagy vákuum segítségével juttatjuk be a mátrixanyagot. A mátrixanyag áramlása során impregnálja az erősítőanyagot. Nagyon jó mechanikai tulajdonságokkal, kiváló minőségű termékek készíthetők (pl.: repülőgép alkatrészek, nagy teljesítményű gépalkatrészek, stb.) (video). Hőre nem lágyuló polimer mátrixú kompozitok 8/10

9 3. A mérés során használt eszközök köpeny, gumikesztyű, szemüveg; olló, ecset, görgő; mérleg; 4. A témához kapcsolódó fontosabb szavak angolul, németül Magyar Angol Német gyanta resin s Harz héj, fedőlemez shell, skin e Deckschicht kompozit composite r Faserverbundwerkstoff maganyag core r Kernmaterial paplan mat e Fasermatte szálerősítés fiber reinforcement e Faseverstärkung száltartalom fiber content r Fasergehalt szendvicsszerkezet sandwich structure r Kernverbund szénszál carbon fiber e Kohlenstoff-Faser szövet woven structure, fabrics s Gewebe üvegszál glass fiber e Glasfaser 5. Ajánlott irodalom 1. Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimertechnika alapjai, Műegyetemi Kiadó, Budapest, G. W. Ehrenstein: Faserverbund-Kunstoffe, Hanser Verlag, München, S. T. Peters: Handbook of Composites, Second edition, Thomson Science, London P. K. Mallick, S. Newman: Composite Materials Technology, Hanser Verlag, New York, 1990 Hőre nem lágyuló polimer mátrixú kompozitok 9/10

10 MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV Név: Jegy: Neptun kód: Dátum: Ellenőrizte: Gyakorlatvezető: 1. Feladat A gyakorlat során üvegszál-erősítésű poliészter gyanta mátrixú kompozit terméket fogunk előállítani, ennek menete: A védő öltözet (köpeny, gumikesztyű, szemüveg) felvétele. A szerszám előkészítése, portalanítása majd felületkezelése. Az erősítő réteg (paplan, szövet) kiszabása, felületi tömeg meghatározása. A mátrixanyag kimérése majd iniciálása. Kompozit termék előállítása kézi laminálással. 2. Alapadatok, mért és számított eredmények 3. Számítási feladat A felhasznált anyagok típusa Mátrix: Erősítőanyag: Kritikus szálhossz (Lc) meghatározása Kelly-Tyson összefüggés segítségével a gyakorlaton megadott paraméterek alapján: F I G Y E L E M Köpeny, gumikesztyű, védőszemüveg használata a gyakorlat során kötelező! A felhasznált vegyi anyagok egészségre ártalmasak lehetnek, részben tűzveszélyesek. Gyanta, katalizátor ill., aceton nyálkahártyához nem juthat. A bőr szennyeződése esetén azonnal szappanos vizes mosás alkalmazandó. Hőre nem lágyuló polimer mátrixú kompozitok 10/10